Sistema de oscilador armónico simple y cambios en su energía total

Supongamos que tengo un cuerpo de masa METRO conectado a un resorte (que está conectado a una pared vertical) con un coeficiente de rigidez de k en alguna superficie sin fricción. El cuerpo oscila desde el punto C apuntar B y C B = d . Su movimiento es armónico. La energía total de tal sistema es simplemente 1 2 k ( d 2 ) 2 = 1 8 k d 2 (porque el punto de equilibrio está en d / 2 y d / 2 es la amplitud). Ahora, supongamos que dejamos caer verticalmente un poco de plastilina con la misma masa METRO desde cierta altura h . Después de que golpea el objeto oscilante, simplemente se adhiere a él.

Mi pregunta es: ¿por qué la energía total del sistema no cambia si la plastilina golpea el objeto en el punto C pero cambia cuando golpea el objeto en medio de C B (es igual allí a 1 dieciséis k d 2 )? Intuitivamente, entiendo que tal colisión plástica contribuye a la pérdida de energía, pero no estoy seguro de cómo encaja exactamente aquí y cómo se pierde la energía. Y aun así, no entiendo cómo influye la posición del cuerpo en el cambio de energía.


Solución propuesta:

La energía mecánica total en el punto d / 2 es mi k , metro a X = PAG t o t a yo = 1 8 k d 2 :

mi k = METRO 2 V 2 V = 2 mi k METRO = 2 PAG t o t a yo METRO

Por la conservación del momento horizontal se obtiene:

METRO V = 2 METRO V 2 mi k METRO = 4 V 2 V = mi k 2 METRO = 1 8 k d 2 2 METRO = k d 2 dieciséis METRO

Por lo tanto, la energía cinética momentánea (que es la energía total) después del golpe es:

mi k , a F t mi r = 2 METRO V 2 2 = METRO k d 2 dieciséis METRO = k d 2 dieciséis

Respuestas (1)

En el punto C , la energía total del oscilador se debe completamente a la energía potencial del resorte. El plástico agrega masa al sistema, pero esto no afecta el contenido de energía. En cualquier punto entre C y B , el sistema tendrá alguna combinación de energía potencial y cinética, y la energía cinética en general se verá afectada por la colisión con el cuerpo de plástico.

Entiendo que la energía elástica potencial del resorte se transforma en la energía cinética del cuerpo y viceversa durante las oscilaciones, pero ¿cómo afecta la colisión la velocidad del cuerpo en movimiento? La plastilina se lanza verticalmente, por lo que no hay un componente horizontal de la velocidad que pueda contribuir al cambio de energía cinética.
Aquí hay otra forma de verlo: dado que el plástico no tiene movimiento en la dirección horizontal inicialmente, el oscilador debe hacer algo de trabajo para aumentar su velocidad una vez que choca (el plástico se pega, por lo que debe coincidir con la velocidad del cuerpo oscilante ). En los puntos extremos, el oscilador no tiene velocidad, por lo que no se requiere trabajo adicional.
Básicamente, cuando el plástico golpea el cuerpo, está dispuesto a mantener una velocidad horizontal cero (debido a la inercia), por lo que literalmente obliga al objeto a reducir la velocidad un poco, hasta que sus energías cinéticas son similares (por lo tanto, las velocidades son iguales) . Creo que es lo mismo que tu explicación, y me parece bien, sin embargo, parece que el objeto "comparte" su energía cinética con el plástico, ¿no es así? Así que no hay pérdida de energía. Si la energía cinética se pierde, ¿adónde va? ¿Y cómo puedo calcular explícitamente la energía total del sistema en cualquier punto de colisión?
Sí, tienes razón en que los dos cuerpos "comparten" la energía cinética. Sin embargo, dado que la colisión es inelástica, el oscilador debe ceder más energía de la que simplemente se necesitaría para dar al cuerpo de plástico suficiente energía cinética. Es decir, parte de la energía se convierte en calor/sonido/deformación del objeto, en lugar de simplemente impartir un impulso horizontal. Si quisieras hacer un experimento para medir la pérdida de energía, simplemente mide la amplitud de oscilación antes y después de la colisión.
"el oscilador debe ceder más energía": ¿cómo puede ceder "más" energía? La energía debe venir de alguna parte, ¿no? Entiendo que durante la colisión parte de la energía se convierte en calor y fricción, pero es la energía del plástico la que se pierde, ¿me equivoco? ¿O la energía del objeto en movimiento también se pierde debido a la tercera ley de Newton? ¿Y no se necesita la misma cantidad de energía para mover tanto el plástico como el objeto cuando el objeto se detiene momentáneamente en los puntos finales? No se mueve allí por un momento, pero aún tienes una masa más grande. 2 METRO para moverse, no?
¿Y podría verificar mi solución propuesta en la parte inferior de mi publicación? ¡Gracias!
Además, ¿por qué se conserva la cantidad de movimiento? El resorte ejerce fuerza de retorno, por lo tanto hay una fuerza externa actuando sobre el sistema de estos objetos.
No creo haber argumentado que se conserva el impulso. Sin embargo, el oscilador deberá impartir un impulso horizontal al plástico para que se adhiera. En el caso de que el plástico simplemente pierda momento vertical, solo él pierde energía (este es el caso cuando el oscilador está en reposo en C). Pero imagínese, en cambio, que el plástico simplemente se interpone en el camino del oscilador, en lugar de caer. Cuando el oscilador choca contra él de manera inelástica, perderá algo de energía y el plástico tomará algo de impulso para igualar al oscilador.
Gracias Señor. Lo entiendo mejor ahora. Usé en la solución propuesta arriba la ley de conservación del impulso, que en general es incorrecta aquí. Pero la respuesta que tengo es correcta. Me pregunto si tal coincidencia es el resultado del hecho de que puedo usar la ley de conservación de la cantidad de movimiento durante el período de tiempo casi momentáneo cuando el cuerpo pasa el punto de equilibrio, donde la fuerza de retorno (es decir, la fuerza del resorte) es casi cero y, por lo tanto, "no se ejerce ninguna fuerza externa". ¿Estoy en lo correcto? Si me equivoco, ¿cómo debería ser la ecuación correcta? ¡Gracias de nuevo por tu paciencia!